【摘要】帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動問題是高中物理的難點(diǎn)之一.本文對帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動問題進(jìn)行分類突破，以期為學(xué)生提供有益的參考.

【關(guān)鍵詞】高中物理；帶電粒子；疊加場

在物理學(xué)習(xí)中，帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動問題是一個(gè)重要的知識點(diǎn)，它涉及磁場、電場、重力場等多個(gè)場的疊加，綜合性強(qiáng)，難度較大，只有掌握了準(zhǔn)確的處理方法才不容易出錯(cuò).

1 帶電粒子在疊加場中的直線運(yùn)動

例1 在地面上方存在相互正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T，電場強(qiáng)度E=5N/C，方向如圖1所示.一質(zhì)量為m=0.5g、電荷量未知的帶正電小球恰好沿與水平方向成θ=30°的PQ方向由P向Q做直線運(yùn)動，重力加速度g=10m/s2.求：

（1）帶電小球的電荷量和速率；

（2）當(dāng)小球運(yùn)動到Q點(diǎn)時(shí)撤去勻強(qiáng)磁場，此時(shí)Q距地面的高度為h=10m，求小球落地點(diǎn)距Q點(diǎn)的水平距離.（不考慮撤去磁場時(shí)對電場的影響）

解析 （1）由題意可知，帶電小球受力平衡，如圖2所示.

F1為小球受電場力，F(xiàn)2為小球受洛倫茲力，因此可知小球帶正電，

由圖可得F1=qE=mgtan30°，

F2=qvB=mgcos30°=0.5×10－3×1032N

=3×10－23N，

解得q=mgtan30°E=33×10－3C，

v=F2qB=3×10－233×10－33×1m/s=10m/s.

（2）當(dāng)小球運(yùn)動到Q點(diǎn)撤去勻強(qiáng)磁場，則有小球在水平方向做勻加速直線運(yùn)動，在豎直方向小球做豎直上拋運(yùn)動，

則有x=vcos30°t+12at2，

y=vsin30°t－12gt2，

又有a=qEm=33×10－3×50.5×10－3m/s2=1033m/s2，

代入數(shù)據(jù)解得t=2s，t=－1s（舍去），

則有x=5033m.

評析 因洛倫茲力與速度有關(guān)，所以，有洛倫茲力參與的直線運(yùn)動一定為勻速直線運(yùn)動，可見，粒子由P向Q的運(yùn)動過程中受力平衡.

2 帶電粒子在疊加場中的圓周運(yùn)動

例2 圖3和圖4是兩個(gè)完全相同的豎直半圓形光滑絕緣軌道，其中M點(diǎn)和N點(diǎn)為兩軌道的最低點(diǎn)，在圖3軌道所在的平面內(nèi)有垂直于平面的勻強(qiáng)磁場，在圖4軌道所在的平面內(nèi)有平行于平面向右的勻強(qiáng)電場，現(xiàn)將兩個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的相同帶正電小球a、b分別從各自軌道的右側(cè)最高點(diǎn)處由靜止釋放，在它們從釋放到首次到達(dá)各自的最低點(diǎn)的過程中，下列選項(xiàng)正確的是（ ）

（A）b球下滑的時(shí)間比a球長．

（B）下滑過程中兩球機(jī)械能均守恒．

（C）b球在N點(diǎn)的速度大于a球在M點(diǎn)的速度．

（D）b球?qū)點(diǎn)的壓力大于a球?qū)點(diǎn)的壓力．

解析 因洛倫茲力不做功，小球在磁場中僅有重力做功，所以a球的機(jī)械能守恒；小球在電場中從最高點(diǎn)運(yùn)動到最低點(diǎn)的運(yùn)動過程中，電場力做負(fù)功，機(jī)械能減小，到最低點(diǎn)時(shí)的速度相對較小，b球在N點(diǎn)的速度小于a球在M點(diǎn)的速度，在電場中運(yùn)動的時(shí)間也相對較長，（A）選項(xiàng)正確，（B）（C）選項(xiàng)錯(cuò)誤；小球a在磁場中的最低點(diǎn)：FM－mg－BqvM=mv2Mr，解得FM=mv2Mr+mg+BqvM，小球b在電場中的最低點(diǎn)：FN－mg=mv2Nr，解得FN=mv2Nr+mg，因?yàn)関M>vN，可得FM>FN，（D）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

評析 粒子在圖3和圖4的兩個(gè)豎直面內(nèi)都做圓周運(yùn)動，但是運(yùn)動規(guī)律不同，圖3中的小球受到重力和指向圓心的洛倫茲力，其中洛倫茲力始終不做功，對粒子的速度大小無影響，機(jī)械能守恒，而處在圖4環(huán)境中的粒子相當(dāng)于在“等效重力場”中運(yùn)動，其速度會受到電場的影響.

3 突破帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動問題的基本思路

首先，明確疊加場的性質(zhì).疊加場通常是由電場、磁場以及重力場中的兩個(gè)或三個(gè)場疊加而成.仔細(xì)分析每個(gè)場的特點(diǎn)，如電場力的方向與大小取決于電場強(qiáng)度和粒子的電荷量；洛倫茲力的大小為qvB，方向始終與速度方向垂直；重力的大小和方向則較為固定.

其次，進(jìn)行受力分析.這是解決問題的關(guān)鍵步驟.根據(jù)帶電粒子的電性、速度方向以及各個(gè)場的方向，確定粒子所受的電場力、洛倫茲力和重力.如果粒子的速度大小或方向發(fā)生變化，洛倫茲力也會隨之改變，所以要動態(tài)地進(jìn)行受力分析.

接著，判斷粒子的運(yùn)動狀態(tài).根據(jù)牛頓第二定律，合力決定了粒子的加速度.若合力為零，粒子將做勻速直線運(yùn)動；若合力大小不變，方向始終與速度方向垂直，粒子將做勻速圓周運(yùn)動.

然后，選擇合適的解題方法.對于直線運(yùn)動，可以利用牛頓運(yùn)動定律結(jié)合運(yùn)動學(xué)公式求解；對于圓周運(yùn)動，要確定圓心、半徑和周期，通常利用洛倫茲力提供向心力的公式來求解；對于復(fù)雜的曲線運(yùn)動，可以考慮能量守恒定律或動能定理.

最后，進(jìn)行結(jié)果的分析與討論.檢查所得結(jié)果是否符合實(shí)際情況，同時(shí)，可以對不同的參數(shù)進(jìn)行討論，分析其對粒子運(yùn)動的影響.

4 結(jié)語

帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動問題綜合性強(qiáng)，難度較大.在解題過程中，需要注意粒子在各個(gè)場中的受力情況，以及粒子的初始條件和邊界條件等因素的影響.對這類問題要?dú)w類后各個(gè)擊破，逐步掌握解題技巧，提高解題能力.同時(shí)，建議學(xué)生多做相關(guān)練習(xí)，積累解題經(jīng)驗(yàn)，加深對知識點(diǎn)的理解和掌握.

參考文獻(xiàn)：

[1]惠夢蘇，劉新選.帶電體在組合場和疊加場中運(yùn)動問題歸類分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（01）：67-70.

[2]胡連冬.帶電粒子在正交疊加場中運(yùn)動問題的研究[J].數(shù)理化解題研究，2020（04）：57-59.

[3]單鵬杰.淺析帶電粒子在疊加場中運(yùn)動問題的求解策略[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)習(xí)研究），2019（01）：75.

[4]韓興乾，喻梅琴.例析帶電體在組合場和疊加場中的運(yùn)動[J].試題與研究，2017（31）：15-18.